Γαστεράτος Αντώνιος, Επίκουρος Καθηγητής Εργαστήριο Ρομποτικής και Αυτοματισμών Τομέας Συστημάτων Παραγωγής Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης Δημοκρίτειο.

Παρουσίαση με θέμα: "Γαστεράτος Αντώνιος, Επίκουρος Καθηγητής Εργαστήριο Ρομποτικής και Αυτοματισμών Τομέας Συστημάτων Παραγωγής Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης Δημοκρίτειο."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Γαστεράτος Αντώνιος, Επίκουρος Καθηγητής Εργαστήριο Ρομποτικής και Αυτοματισμών Τομέας Συστημάτων Παραγωγής Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Ρομποτική Μάθημα 2ο «Σχεδιασμός και επιλογή ρομποτικών συστημάτων»

2 Σκοπός του μαθήματος Ανάλυση βασικών μερών τυπικού χειριστή Μέτρα σύγκρισης χειριστών Δομικά στοιχεία ρομπότ (ενεργοποιητές και αισθητήρες) Προγραμματισμός ρομπότ

3 Τι είναι ρομπότ; Ορισμός: Ρομπότ είναι ένας προγραμματιζόμενος πολυλειτουργικός χειριστής σχεδιασμένος να μεταφέρει υλικά, αντικείμενα, εργαλεία ή ειδικές συσκευές, μέσω μεταβλητών προγραμματιζόμενων κινήσεων, για την εκτέλεση διαφόρων εργασιών

4 Βασικά μέρη βιομηχανικού ρομπότ χειριστής Μηχανικό μέρος, ο χειριστής (manipulator) με διαφορετικές πολυπλοκότητες και τύπους κατασκευής προγραμματισμό έλεγχο το σύστημα για τον προγραμματισμό και το έλεγχο του χειριστή άκρο διδασκαλίας (teaching pendant)

5 Το μηχανικό μέρος Χειριστής σύνδεσμοι σειρά από στερεά σώματα, οι σύνδεσμοι (links) αρθρώσεις κινητές συνδέσεις, οι αρθρώσεις (joints) βάση Το ένα άκρο του χειριστή η βάση (base), είναι σταθερή στο περιβάλλον εργασίας ή τοποθετημένη σε μία κινητή πλατφόρμα τελικό σημείο δράσης Το άλλο άκρο του χειριστή, το τελικό σημείο δράσης (end effector) είναι εξοπλισμένο με το κατάλληλο εργαλείο κάθε φορά, για την εκτέλεση εργασιών ή φέρει αρπάγη για την εκτέλεση χειρισμών

6 Το μηχανικό μέρος καρπό Το τελικό σημείο δράσης είναι τοποθετημένο επάνω σε μια σύνθετη άρθρωση, τον καρπό (wrist) ώμος αγκώνας Οι υπόλοιπες αρθρώσεις του χειριστή ονομάζονται συνήθως ώμος (shoulder) και αγκώνας (elbow)

7 Το σύστημα ελέγχου ελεγκτής O ελεγκτής (controller) του ρομπότ είναι μια διάταξη πολύ εξεζητημένη, που αποτελείται γενικά από ένα σύστημα πολλών επεξεργαστών, συνδεδεμένο σε ένα δίκτυο με άλλα τοπικά μέσα ελέγχου, παρακολούθησης και αποθήκευσης δεδομένων Ανάγκες Μηχανικό μέρος πολύ σύνθετο Απαιτήσεις υψηλής απόδοσης Διαφοροποίηση στις αποστολές του ρομπότ

8 Το σύστημα ελέγχου Οι βασικές λειτουργίες που πρέπει να εκτελεί ένας ρομποτικός ελεγκτής είναι: Αλληλεπίδραση με τον χρήστη Αποθήκευση δεδομένων Υπολογισμός των κινήσεων του χειριστή Έλεγχος σε πραγματικό χρόνο των κινήσεων των αρθρώσεων Παρακολούθηση των αισθητήρων του ρομπότ Δυνατότητα ολοκλήρωσης με άλλες μηχανές Δυνατότητα ολοκλήρωσης με άλλους υπολογιστικούς πόρους

9 Τύποι αρθρώσεων Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι αρθρώσεων: πρισματικές Οι πρισματικές (P), στις οποίες η κίνηση είναι γραμμική μετατόπιση περιστροφικές Οι περιστροφικές (R), στις οποίες η κίνηση είναι μια περιστροφή Αρθρώσεις με άλλη τοπολογία, πιο σύνθετη, όπως σφαιρικές, ελικοειδείς κλπ, μπορούν να θεωρηθούν ότι είναι συνδυασμός δύο ή περισσοτέρων από τις βασικές αρθρώσεις

10 Διαμόρφωση χειριστή διαμόρφωση Το διάνυσμα q = [q 1, q 2, … q n ] T, που περιγράφει τις τιμές των αρθρώσεων 1, 2, … n, ονομάζεται διαμόρφωση (configuration) του χειριστή τοποθέτησης Η γνώση της διαμόρφωσης του χειριστή αποτελεί ικανή και αναγκαία συνθήκη για τη γνώση της τοποθέτησης (pose) του τελικού σημείου δράσης του χειριστή θέση προσανατολισμό Η τοποθέτηση περιλαμβάνει την θέση (position) και τον προσανατολισμό (orientation) l 1 l 2 l 3  3  2  1 X Y {0}  (x, y) διαμόρφωση: (θ 1, θ 2, θ 3 ) τοποθέτηση: (x, y, φ)

11 Μετασχηματισμοί στους χώρους ενός ρομπότ Καρτεσιανός χώρος Χώρος αρθρώσεων Χώρος ενεργοποιητών υπολογισμός τροχιάς (trajectory) τοποθέτηση (pose) τελικού σημείου δράσης έλεγχος ενεργοποιητών (actuators)

12 Βαθμοί ελευθερίας χειριστή βαθμοί ελευθερίας Οι βαθμοί ελευθερίας (degrees of freedom, d.o.f.) του χειριστή είναι ίσοι με τις αρθρώσεις του. Δηλαδή, ένας χειριστής n αρθρώσεων έχει n βαθμούς ελευθερίας Οι βαθμοί ελευθερίας ενός χώρου m είναι ο ελάχιστος αριθμός παραμέτρων με τον οποίο μπορεί να προσδιορισθεί η θέση και ο προσανατολισμός στο χώρο αυτό. Ο αριθμός των αρθρώσεων n μπορεί να είναι οποιοσδήποτε, ενώ οι βαθμοί ελευθερίας του χώρου μπορεί να είναι κατά μέγιστό m=6.

13 Βαθμοί ελευθερίας χειριστή Μία πολύ κοινή περίπτωση είναι όταν m=n, δηλαδή όταν ο χειριστής έχει τόσες αρθρώσεις όσες και οι βαθμοί ελευθερίας του χώρου. Για τους βιομηχανικούς χειριστές αυτό τυπικά σημαίνει ότι m=n=6 Ελλιπείς χειριστές είναι αυτοί για τους οποίους ισχύει m>n. Για τους χειριστές αυτούς δεν είναι δυνατή η εκτέλεση όλων των δυνατών χειρισμών εντός του χώρου εργασίας, αλλά μόνο σε ένα συγκεκριμένο υποσύνολο του χώρου. Χειριστές εν περισσεία είναι αυτοί για τους οποίους ισχύει m<n. Για τους χειριστές αυτούς είναι δυνατή η εκτέλεση όλων των δυνατών χειρισμών εντός του χώρου εργασίας, με περισσότερους του ενός τρόπου.

14 Βαθμοί ελευθερίας χειριστή Όταν το εργαλείο παρουσιάζει συμμετρία ως προς έναν άξονα (συνήθως τον Ζ), τότε η ύπαρξη ενός βαθμού ελευθερίας για τη γωνία roll του καρπού, είναι εν περισσεία, άρα ένα ρομπότ με 5 d.o.f. επαρκεί Για άλλες εφαρμογές όπως η τοποθέτηση ηλεκτρονικών στοιχείων σε πλακέτα απαιτεί μόλις 4 d.o.f. Σε περίπτωση δε που η πλατφόρμα διαθέτει δικούς της βαθμούς ελευθερίας, οι βαθμοί ελευθερίας του ρομπότ μπορούν να περιοριστούν περαιτέρω

15 Βαθμοί ελευθερίας χειριστή Ελλιπής χειριστής m=3 n=2 Χειριστές εν περισσεία m=3 n=4

16 Τελικό σημείο δράσης τελικό σημείο δράσης Το τελικό σημείο δράσης (end effector) είναι ο μηχανισμός με τον οποίο ο χειριστής αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του Παραδείγματα εφαρμογών είναι: αρπαγή αντικειμένων συγκόλληση βαφή συναρμολόγηση

17 Τελικό σημείο δράσης Είναι από τα σημεία μέγιστης σημασίας και πολυπλοκότητας ενός ρομπότ, που μπορεί να περιορίσει τον επιδέξιο χώρο εργασίας του ρομπότ Η μεγάλη επιδεξιότητα ενός χειριστή δεν συγκρίνεται με εκείνη του τελικού σημείου δράσης, που γενικά είναι πολύ εξειδικευμένο, μπορεί να φέρνει εις πέρας λίγους χειρισμούς και είναι εφοδιασμένο με μια απλή διάταξη αισθητήρων και μία απλή κινηματική διάταξη Επειδή είναι ένας εξειδικευμένος μηχανισμός θα πρέπει να μπορεί να αλλαχθεί απλά και γρήγορα, αν το απαιτεί η εργασία

18 Τελικό σημείο δράσης Σε ορισμένες περιπτώσεις υπάρχει ένα πραγματικό ρεπερτόριο από τελικά σημεία δράσης που μπορούν να συνδεθούν στο χειριστή και μας έχουν ως αποτέλεσμα ένα επιδέξιο εργαλείο, που μπορεί να αναπτύξει διαφορετικές φάσεις μιας αποστολής Το πλέον γνωστό τελικό σημείο δράσης είναι η αρπάγη, διάταξης σύλληψης αντικειμένων. Οι αρπάγες παρουσιάζουν μια μεγάλη τυπολογική παραλλαγή, ανάλογα με το υλικό και το μέγεθος των αντικειμένων, στα οποία δρουν.

19 Τελικό σημείο δράσης

20 Αρπάγες αρπάγες Υπάρχουν αρπάγες (grippers) με δύο ή περισσότερα «δάκτυλα» που επιλαμβάνονται μηχανικά τα αντικείμενα, χρησιμοποιώντας τόσο το εσωτερικό, όσο και το εξωτερικό μέρος των δακτύλων. Τα δάκτυλα είναι κατασκευασμένα ώστε να χειρίζονται ευμεγέθη αντικείμενα. Μπορεί να είναι μακρά, στενά, κυλινδρικά, εφοδιασμένα με βεντούζες, με κολλώδη υλικά, με ηλεκτρομαγνητικά μέρη, κλπ.

21 Καρπός Είναι ο μηχανισμός που είναι συνδεδεμένος στο άκρο του χειριστή, πάνω στον οποίο προσαρμόζεται το τελικό σημείο δράσης και δίνει τη δυνατότητα σε αυτό να λάβει οποιονδήποτε προσανατολισμό στο χώρο εργασίας Τυπικά περιλαμβάνει τρεις βαθμούς ελευθερίας, που υλοποιούνται με περιστροφικές αρθρώσεις

22 Τυπολογίες χειριστών Οι τυπολογίες των ρομποτικών χειριστών διακρίνονται ανάλογα με το αν η κινηματική σειρά τους είναι ανοικτή ή κλειστή, ή αλλιώς αν στο τελικό σημείο δράσης επιδρούν άμεσα μία ή περισσότερες αρθρώσεις σε σειριακές και παράλληλες αντίστοιχα σειριακός παράλληλος

23 Καρτεσιανή: PPP Κυλινδρική: RPP Σφαιρική: RRP SCARA: RRP (Selective Compliance Assembly Robot Arm) Αρθρωτή: RRR Τυπολογίες σειριακών χειριστών Υπάρχουν διάφορες γεωμετρικές τυπολογίες στην κατασκευή χειριστών, βασισμένες κυρίως στην ακολουθία των αρθρώσεων, πρισματικών (P) και περιστροφικών (R)

24 Καρτεσιανή: PPP Κυλινδρική: RPP Σφαιρική: RRP SCARA: RRP (Selective Compliance Assembly Robot Arm) Αρθρωτή: RRR Τυπολογίες σειριακών χειριστών

25 Τυπολογίες παράλληλων χειριστών  Πλεονεκτήματα Μεγαλύτερη ταχύτητα Μεγαλύτερη ακρίβεια Μεγαλύτερη «ισχύς»  Μειονεκτήματα Μικρότερος χώρος εργασίας Ογκωδέστερα

26 Παράλληλοι χειριστές

27 Μέτρα σύγκρισης χειριστών Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε τυπολογίας Η Καρτεσιανή τυπολογία ενοποιεί μία εσωτερική ευρωστία, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που χρειάζεται να μεταφερθούν υψηλά βάρη και καλά χαρακτηριστικά επαναληψιμότητας Η κυλινδρική είναι επίσης εύρωστη και κατάλληλη στη μεταφορά υψηλών βαρών Η σφαιρική, όπως και η κυλινδρική, είναι οι πλέον κατάλληλες για φορτοεκφόρτωση μηχανών, όπου ο χειριστής μπορεί να εκτελεί την εργασία χωρίς να αλληλεπιδρά μηχανικά με το περιβάλλον Η αρθρωτή, όπως και η σφαιρική, είναι κατάλληλες για εργασίες, οι οποίες μπορεί να είναι σχετικά απομεμακρυσμένες σε σχέση με τη βάση τους

28 Μέτρα σύγκρισης χειριστών Χαρακτηριστικό Τυπολογία ΕυρωστίαΕπαναληψιμότηταΕπιβάρυνσηΕπιδεξιότητα ΚαρτεσιανήΧΧ ΚυλινδρικήΧΧΧ ΣφαιρικήΧΧ ΑρθρωτήΧΧ

29 Μέτρα σύγκρισης χειριστών Ο χώρος εργασίας και σημεία ιδιομορφίας Ωφέλιμο φορτίο Ταχύτητα Ακρίβεια Επαναληψιμότητα Ανάλυση Διασύνδεση Περιβάλλον εργασίας

30 Ο χώρος εργασίας Ο χώρος που είναι προσιτός από το χειριστή, σε οποιονδήποτε σχηματισμό. Εξαρτάται από το γεωμετρικό σχηματισμό του χειριστή, από το μέγεθος των συνδέσμων και από τα όρια κίνησης των αρθρώσεων. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο χώρος εργασίας αναφέρεται ως το υποσύνολο των προσιτών σημείων και συγκεκριμένα γίνεται αναφορά στο σύνολο των σημείων στα οποία ο χειριστής μπορεί να προσεγγίσει, διατηρώντας τη δυνατότητα τυχαίου προσανατολισμού στα σημεία αυτά (επιδέξιος χώρος εργασίας)

31 Ο χώρος εργασίας χώρος εργασίας Ο χώρος εργασίας (workspace): ο χώρος που είναι προσβάσημος από το τελικό σημείο δράσης επιδέξιος χώρος εργασίας Ο επιδέξιος χώρος εργασίας (dexterous workspace): ο χώρος που είναι προσβάσημος από το τελικό σημείο δράσης, σε οποιοδήποτε προσανατολισμό προσβάσημος χώρος εργασίας Ο προσβάσημος χώρος εργασίας (reachable workspace): ο χώρος όπου το ρομπότ μπορεί να έχει πρόσβαση κατά έναν τουλάχιστον προσανατολισμό

32 Χώροι εργασίας Καρτεσιανός Κυλινδρικός

33 Χώροι εργασίας Σφαιρικός SCARA

34 Χώροι εργασίας Αρθρωτός

35 Αποδοτικότητα σχεδιασμού σε σχέση με το χώρο εργασίας Αθροισμένο μήκος Δείκτης δομικού μήκους (w ο όγκος του χώρου εργασίας) Οι καλά σχεδιασμένοι χειριστές παρουσιάζουν μικρό L και χαμηλό Q L

36 Σημεία ιδιομορφίας σημεία ιδιομορφίας Τα σημεία στα οποία ένας χειριστής απολλύει έναν ή περισσότερους βαθμούς ελευθερίας, ονομάζεται σημεία ιδιομορφίας (singularities) Όλοι οι χειριστές παρουσιάζουν ιδιομορφία στα όρια του χώρου εργασίας τους, ενώ για πολλούς υπάρχει γεωμετρικός τόπος ιδιομορφίας εντός του χώρου εργασίας ιδιόμορφη διαμόρφωση Μία διαμόρφωση που έχει ως αποτέλεσμα ένα σημείο ιδιομορφίας, ονομάζεται ιδιόμορφη διαμόρφωση (singular configuration) Μια ιδιόμορφη διαμόρφωση μπορεί να αποφευχθεί μερικά με βαθμούς ελευθερίας εν περισσεία

37 Σημεία ιδιομορφίας 1. Ιδιομορφίες ορίων χώρου εργασίας συμβαίνουν όταν ο χειριστής είναι πλήρως ανεπτυγμένος ή πλήρως αναδιπλωμένος, έτσι ώστε το τελικό σημείο δράσης να βρίσκεται κοντά στα όρια του χώρου εργασίας 2. Εσωτερικές ιδιομορφίες χώρου εργασίας συμβαίνουν μακριά από τα όρια του χώρου εργασίας, συνήθως όταν δύο ή περισσότεροι άξονες αρθρώσεων ευθυγραμμισθούν 5 q 1 q 5 q 1 q

38 Δυνατότητα επίτευξης χειρισμών Μέτρο δυνατότητας επίτευξης χειρισμών ή για χειριστές που δεν είναι εν περισσεία Ένας καλός χειριστής έχει μεγάλες τιμές του w σε ευρύ μέρος του χώρου εργασίας του

39 Ωφέλιμο φορτίο Ωφέλιμο φορτίο Ωφέλιμο φορτίο (payload) Το μέγιστο συνολικό φορτίο, που αποτελείται από την αρπάγη και το μεταφερόμενο φορτίο, το οποίο ο χειριστής είναι σε θέση να μεταφέρει χωρίς αναπηδήσεις κατά τη μεταφορά Εξαρτάται από το μέγεθος των δομικών στοιχείων του χειριστή, το σύστημα μετάδοσης κίνησης και την ισχύ των ενεργοποιητών

40 Ταχύτητα Είναι προφανές ότι όσο ταχύτερος είναι ένας χειριστής, τόσο περισσότερο έργο μπορεί να εκτελέσει σε συγκεκριμένο χρόνο και, επομένως, πιο αποδοτικός είναι

41 Ακρίβεια και επαναληψιμότητα Ακρίβειαεπαναληψιμότητα Ακρίβεια (accuracy) και επαναληψιμότητα (repeatability) Ακρίβεια είναι η δυνατότητα πρόσβασης σε ένα σημείο του χώρου εργασίας με το ελάχιστο δυνατό σφάλμα Επαναληψιμότητα είναι η δυνατότητα πρόσβασης στο ίδιο σημείο, κατά την επανάληψη των ίδιων κινήσεων Τα μεγέθη αυτά ορίζονται με μοναδικό τρόπο με αναφορά στην πλέον δυσμενή περίπτωση λειτουργίας Από τα δύο αυτά μέτρα, η επαναληψιμότητα είναι πιο σημαντική, επειδή τα σφάλματα ακρίβειας είναι δυνατόν, όταν εντοπιστούν να διορθωθούν στη φάση του προγραμματισμού του χειριστή

42 Επαναληψημότητα και ακρίβεια Πολλά βιομηχανικά ρομπότ μετακινούνται σε στόχους, τους οποίους έχουν διδαχθεί. Ο χειριστής μεταφέρεται φυσικά στο διδαχθέν σημείο και οι τιμές των αρθρώσεων διαβάζονται από τους αισθητήρες και αποθηκεύονται Σε αυτή την περίπτωση δεν εμφανίζεται ποτέ το πρόβλημα της αντίστροφης κινηματικής, αφού το σημείο του στόχου δεν προσδιορίζεται με τις Καρτεσιανές συντεταγμένες του, αλλά μόνο στο χώρο των ενεργοποιητών και των αρθρώσεων Επαναληψημότητα ορίζεται από την ακρίβεια (precision) με την οποία επιστρέφει ο χειριστής στο διδαχθέν σημείο Τα σημεία στα οποία μπορεί να φτάσει ο χειριστής χωρίς να τα έχει διδαχθεί ονομάζονται υπολογισμένα σημεία Η ακρίβεια με την οποία μπορεί να φτάσει ο χειριστής σε ένα υπολογισμένο σημείο είναι η ακρίβεια (accuracy) του χειριστή Η ακρίβεια περιορίζεται από την επαναληψημότητα

43 Ακρίβεια vs Επαναληψιμότητα Ακριβής και με επαναληψημότηταΜη ακριβής αλλά με επαναληψημότητα Ακριβής αλλά δίχως επαναληψημότηταΜη ακριβής και δίχως επαναληψημότητα

44 Ανάλυση Ανάλυση Ανάλυση (resolution) Το εύρος r της ελάχιστης εκτελέσιμης μετατόπισης Ιδιαίτερα χρήσιμο μέτρο για χειρισμούς ακριβείας, όπως η συναρμολόγηση ή η συγκόλληση διαφόρων μερών. Η ανάλυση συνδέεται με την ακρίβεια (a) ως:  a=r/2 a r

45 Διασύνδεση διασύνδεση Η διασύνδεση (interface) του ρομπότ περιλαμβάνει τις ηλεκτρικές συνδέσεις τόσο του χειριστή όσο και του ελεγκτή, αλλά και τη δυνατότητα διασύνδεσης τους με άλλα βιομηχανικά πρότυπα (CAN, Fieldbus κλπ)

46 Περιβάλλον εργασίας Σημαντικό κριτήριο επιλογής ενός ρομποτικού συστήματος είναι το περιβάλλον στο οποίο θα εκτελεί αυτό χειρισμούς Τα βιομηχανικά περιβάλλοντα είναι δύσκολα περιβάλλοντα, με θερμοκρασίες πολλές φορές υψηλότερες των κανονικών, με υψηλή υγρασία, θόρυβο, ακτινοβολίες κλπ.

47 Περιβάλλον εργασίας IP σημαίνει 'Ingress Protection‘ (προστασία εισόδου) Ο αριθμός IP χρησιμοποιείται για τον ορισμό της προστασίας των ηλεκτρονικών συσκευών που περικλείονται στο ρομπότ έναντι των περιβαλλοντικών παραγόντων. Οι εκτιμήσεις αυτές ορίζονται από συγκεκριμένους ελεγχους Ο αριθμός IP αποτελείται από δύο ψηφία: το πρώτο αναφέρεται στην προστασία έναντι στερεών στοιχείων και το δεύτερο έναντι υγρών. Όσο μεγαλύτερος είναι αυτός ο αριθμός (έως 68), τόσο καλύτερη είναι η προστασία του ρομπότ

48 Προστασία IP I P 6 7 Επίπεδο προστασίας έναντι στερεών αντικειμένων και υλικών Επίπεδο προστασίας έναντι νερού και λοιπών υγρών 0 Ουδεμία προστασία 1 Προστασία έναντι στερεών αντικειμένων έως 50mm1 Προστασία έναντι κάθετα προσπιπτόντων σταγόνων νερού 2 Προστασία έναντι στερεών αντικειμένων έως 12mm2 Προστασία έναντι απευθείας ψεκάσματος με νερό έως 15 ο από την κάθετο 3 Προστασία έναντι στερεών αντικειμένων έως 2,5mm3 Προστασία έναντι απευθείας ψεκάσματος με νερό έως 60 ο από την κάθετο 4 Προστασία έναντι στερεών αντικειμένων έως 1mm4 Προστασία έναντι ψεκάσματος με νερό από όλες τις κατευθύνσεις, επιτρέπεται περιορισμένη είσοδος 5 Προστασία έναντι σκόνης, περιορισμένη είσοδος5 Προστασία έναντι πιδάκων νερού χαμηλής πίεσης από όλες τις κατευθύνσεις, επιτρέπεται περιορισμένη είσοδος 6 Απόλυτη προστασία ενάντια στη σκόνη 6 Προστασία έναντι πιδάκων νερού χαμηλής πίεσης, επιτρέπεται περιορισμένη είσοδος (π.χ. κατάστρωμα πλοίου) 7 Προστατευμένο έναντι του αποτελέσματος εμβάπτισης μεταξύ 15cm και 100cm 8 Προστατευμένο έναντι του αποτελέσματος εμβάπτισης υπό πίεση για μακρό χρονικό διάστημα

49 Ενεργοποιητές ενεργοποιητές Οι ενεργοποιητές (actuators) που χρησιμοποιούνται στην υλοποίηση ρομποτικών συστημάτων μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: Ηλεκτρικοί (κινητήρες DC, βηματικοί, άνευ ψήκτρας κλπ, περιλαμβάνουν ~50% των περιπτώσεων) Υδραυλικοί (~35%) Πνευματικοί (χρησιμοποιούνται και στις αρπάγες και τα τελικά σημεία δράσης, ~ 15%) Λοιποί

50 Ηλεκτρικοί ενεργοποιητές Συστήματα μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος σε μηχανική  Πλεονεκτήματα Ικανοποιητικά ταχείς και ακριβείς Δυνατότητα χρήσης εξεζητημένων αλγορίθμων ελέγχου Ευκολία στη διάθεση και οικονομικότεροι Απλοί στη χρήση Μειωμένες διαστάσεις Εξαιρετική απόδοση Μεγάλο εύρος παρεχομένης ισχύος (από mW έως MW)

51 Ηλεκτρικοί ενεργοποιητές  Μειονεκτήματα Ανάγκη τοποθέτησης ενός μειωτήρα (με εξαίρεση τους direct drives) και με αποτέλεσμα στη μείωση της ακρίβειας και την αύξηση του κόστους Η διαθέσιμη ισχύς δεν είναι ικανοποιητική σε ορισμένες εφαρμογές

52 Υδραυλικοί ενεργοποιητές Συστήματα μετατροπής της υδραυλικής ισχύος (ισχύς πεπιεσμένου λαδιού) σε μηχανική  Πλεονεκτήματα Μεγάλη ικανότητα φορτίου Μεγάλη ταχύτητα Όταν βρεθούν σε μία θέση τη διατηρούν Γραμμική μετατόπιση Δυνατότητα ακριβούς ελέγχου  Μειονεκτήματα Κακή απόδοση Υψηλό κόστος, ιδιαίτερα σε μικρές διαστάσεις Προβλήματα θορύβου Προβλήματα απώλειας λαδιού Καταλαμβάνουν μεγάλο όγκο

53 Πνευματικοί ενεργοποιητές Συστήματα μετατροπής της πνευματικής ισχύος (ισχύς πεπιεσμένου αέρα) σε μηχανική  Πλεονεκτήματα Σχετικά μικρό κόστος Υψηλή ταχύτητα  Μειονεκτήματα Χαμηλή ακρίβεια, λόγο υψηλής συμπιεστότητας του αέρα Προβλήματα θορύβου Προβλήματα απώλειας Ανάγκη φίλτρων αέρα Δημιουργείται ανάγκη συντήρησης Προβλήματα λόγω ανάγκης συνεχούς παροχής πεπιεσμένου αέρα (κόστος, αυτονομία κλπ)

54 Πέραν των κυρίων κατηγοριών, υπάρχουν, σε ερευνητικό πεδίο κυρίως, παρά σε επίπεδο εφαρμογών διάφορα άλλα είδη ενεργοποιητών, αναφορικά: πιεζοηλεκτρικοί (πχ διηλεκτρικά ελαστομερή) μαγνητικοί υπερήχων SMA αδράνειας Λοιποί ενεργοποιητές

55

56 Συστήματα μεταφοράς κίνησης Η μηχανική ισχύς που παράγεται από τους ενεργοποιητές, σπάνια μεταφέρεται απευθείας στην άρθρωση Τα πλέον χρησιμοποιούμενα συστήματα μεταφοράς κίνησης στη ρομποτική είναι: γρανάζια με αξονικά δόντια (spur gears) κεκλιμένα γρανάζια (bevel gears) γρανάζι με ατέρμονο άξονα (worm gears) γρανάζι με οδοντωτή μπάρα αλυσίδες ιμάντες

57 Γρανάζια με αξονικά δόντια Ένα γρανάζι τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και αλληλοσυνδέεται με ένα άλλο γρανάζι, που είναι τοποθετημένο στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι παράλληλοι μεταξύ τους  Πλεονεκτήματα Καλή μηχανική απόδοση Χαμηλό κόστος  Μειονεκτήματα Προβλήματα χώρου

58 Κεκλιμένα γρανάζια Ένα κεκλιμένο γρανάζι τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και αλληλοσυνδέεται με ένα άλλο κεκλιμένο γρανάζι, που είναι τοποθετημένο στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι κάθετοι μεταξύ τους  Πλεονεκτήματα Επιτρέπει κάθετη τοποθέτηση των αξόνων (ευελιξία στο μηχανολογικό σχεδιασμό) Επιτρέπει πιο συμπαγή τοποθέτηση των ενεργοποιητών  Μειονεκτήματα Λιγότερο αποδοτικά από τα γρανάζια με αξονικά δόντια Μεγαλύτερο κόστος Προβλήματα θορύβου στις υψηλές ταχύτητες

59 Γρανάζι με ατέρμονο άξονα Ένας ατέρμονος άξονας τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και αλληλοσυνδέεται με ένα γρανάζι, που είναι τοποθετημένο στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι κάθετοι μεταξύ τους, αλλά δεν τέμνονται  Πλεονεκτήματα Μπορούν να επιτύχουν υψηλούς λόγους σύνδεσης σε μικρό χώρο Επιτρέπει κάθετη τοποθέτηση των αξόνων  Μειονεκτήματα Κόστος Η απόδοση μειώνεται σύντομα, καθώς μειώνεται ο λόγος σύνδεσης

60 Γρανάζι με οδοντωτή μπάρα Ένας γρανάζι τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και αλληλοσυνδέεται με μία οδοντωτή μπάρα, που είναι τοποθετημένη στον άξονα πρισματικής άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι κάθετοι μεταξύ τους, αλλά δεν τέμνονται  Πλεονεκτήματα Επιτρέπει κάθετη τοποθέτηση των αξόνων Επιτρέπει την υλοποίηση πρισματικών αρθρώσεων  Μειονεκτήματα Κόστος

61 Λοιπά γρανάζια

62 Αλυσίδες Ένας οδοντωτός τροχός τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και συνδέεται με μία αλυσίδα με πολλές συνδέσεις, η οποία με τη σειρά της συνδέεται με άλλον οδοντωτό τροχό συνδεδεμένο στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι παράλληλοι μεταξύ τους και η απόσταση μεταξύ τους εξαρτάται από το μήκος της αλυσίδας  Πλεονεκτήματα Υψηλή απόδοση Δυνατότητα απορρόφησης κραδασμών Ευκολία στην επιλογή θέσης του ενεργοποιητή (εξαρτάται από το μήκος της αλυσίδας)  Μειονεκτήματα Ο χώρος πρέπει να υπολογιστεί με προσοχή, ώστε να είναι βέβαιη η προσαρμογή της αλυσίδας στους τροχούς Η συντήρηση της αλυσίδας (καθαρισμός, λάδωμα) Θόρυβος Πολλά κινητά μέρη (αύξηση πιθανότητας σφάλματος)

63 Ιμάντες Μία τροχαλία τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και συνδέεται με έναν συγχρονισμένο ιμάντα (συνήθως από ελαστικό), ο οποίος με τη σειρά του συνδέεται με άλλη τροχαλία συνδεδεμένη στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι παράλληλοι μεταξύ τους και η απόσταση μεταξύ τους εξαρτάται από το μήκος του ιμάντα  Πλεονεκτήματα Απορρόφα τους κραδασμών καλύτερα από την αλυσίδα Δεν απαιτεί συντήρηση Ήσυχη μετάδοση Απόδοση όση και των γραναζιών Ευκολία στην επιλογή θέσης του ενεργοποιητή (εξαρτάται από το μήκος του ιμάντα)

64 Ιμάντες  Μειονεκτήματα Πρέπει να χρησιμοποιούνται παράλληλοι άξονες Δυσκολία στον έλεγχο ταχύτητας, λόγω ελαστικότητας του ιμάντα Το συνολικό σύστημα καταλαμβάνει πολύ χώρο Παρουσιάζουν μειωμένη μηχανική αντοχή σε σχέση με τις αλυσίδες

65 Αισθητήρες Αποτελούν τα πλέον σημαντικά και τεχνολογικά σύνθετα μέρη ενός ρομπότ Διακρίνονται βασικά σε: Ιδιοδεκτικούς αισθητήρες: συσκευές που είναι σε θέση να μετρούν κατάλληλα μεγέθη του ρομπότ, όπως η θέση ή η ταχύτητα των αρθρώσεων ή τις δυνάμεις που εφαρμόζονται στον καρπό, τέτοιες είναι:  ποτενσιόμετρα  resolver  κωδικοποιητές  ταχύμετρα  αισθητήρες μέτρησης δύναμης σε 3 ή 6 άξονες

66 Αισθητήρες Ετεροδεκτικούς αισθητήρες: συσκευές που είναι σε θέση να μετρούν μεγέθη του περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργεί ένα ρομπότ, ώστε να εξασφαλίζουν την ορθή λειτουργία του. Μπορούν να διακριθούν χονδρικά σε:  απτικούς  προσέγγισης ή απόστασης  όρασης  λοιποί

67 Ποτενσιόμετρα Παράγουν τάση ανάλογη στη μετατόπιση του άξονα Δυσκολία στην ανάλυση Μη γραμμικότητα Ευαισθησία στις μεταβολές της πηγής Ευαισθησία στη μεταβολή θερμοκρασίας

68 Resolver Παράγουν δύο αναλογικά σήματα (ημίτονο και συνημίτονο της γωνίας του άξονα αντίστοιχα), άρα υπολογισμός άμεσος με την atan2 Απαιτούν συνήθως γρανάζια για την αύξηση της ανάλυσης Παρουσιάζουν χαμηλή ανάλυση

69 Κωδικοποιητές Η σύζευξη δύο φωτοδιόδων διακόπτεται από αδιαφανείς τομείς ενός δίσκου, ενώ αποκαθίσταται από τους διαφανείς τομείς Στους απόλυτους οπτικούς κωδικοποιητές κάθε τομέας αντιστοιχεί σε διαφορετική ψηφιακή λέξη Υψηλότερη ανάλυση από τους resolvers, αλλά λιγότερο αξιόπιστοι άξονας δίσκος εκπομπός φωτός ανιχνευτής φωτός απόλυτος οπτικός κωδικοποιητής

70 Μηκυνσιόμετρα Μετατροπή μικρών μηχανικών επιμηκύνσεων σε ηλεκτρικά σήματα Αρχή λειτουργίας που βασίζεται στη μεταβολή της ειδικής αντίστασης, η οποία μετριέται με μία διάταξη γέφυρας

71 Επιλογή ενός ρομπότ Επιλογή εφαρμογής Τεχνικά εφικτή Οικονομικά συμφέρουσα Επιλογή συγκεκριμένου μοντέλου ρομπότ

72 Παράδειγμα: Κριτήρια επιλογής ρομπότ από την εταιρία General Electric Η υπό εκτέλεση λειτουργία είναι απλή και επαναληπτική Ο μέγιστος χρόνος έχει κύκλο μεγαλύτερο από 5sec Τα τμήματα προς συναρμολόγηση μπορούν να τοποθετηθούν εν τάξει και όχι τυχαία Τα τμήματα έχουν περιορισμένο βάρος Δεν απαιτείται επιθεώρηση κατά την εκτέλεση της εργασίας Υποκαθίσταται τουλάχιστον ένα άτομο σε 24 εργάσιμες ώρες

73 Προγραμματισμός Γλώσσες προγραμματισμού: λίγο πολύ όλοι οι κατασκευαστές βιομηχανικών ρομπότ έχουν αναπτύξει μία δικιά τους γλώσσα προγραμματισμού ή έχουν προσαρμόσει για τα ρομπότ τους γνωστές γλώσσες, όπως οι C, Basic, κλπ. ή έχουν αναπτύξει ειδικές βιβλιοθήκες (libraries) για τις γλώσσες αυτές Άκρο διδασκαλίας: εξοπλισμός συνδεδεμένος με τον ελεγκτή του ρομπότ, που μεταδίδει στο ρομπότ εντολές από το χρήστη, είτε στο χώρο των αρθρώσεων, είτε στον Καρτεσιανό χώρο. Τα σημεία από τα οποία περνά το ρομπότ μπορούν να απομνημονευθούν και να υπολογιστούν οι τροχιές

74 Προγραμματισμός Χρήση εξεζητημένων συστημάτων προσομοίωσης, που επιτρέπουν την προσομοίωση του ρομπότ σε συνθήκες λειτουργίας Τέτοια εργαλεία εκτός από τη βοήθεια στη φάση του σχεδιασμού, παρέχουν επίσης λειτουργίες αυτόματης παραγωγής προγραμμάτων ελέγχου των λειτουργιών του ρομπότ

75 Ερωτήσεις